KR100715235B1

KR100715235B1 - 사건이나 사물을 관찰하기 위한 광학 모듈

Info

Publication number: KR100715235B1
Application number: KR1020070011663A
Authority: KR
Inventors: 박일흥; 박재형
Original assignee: 이화여자대학교 산학협력단
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2007-05-11
Also published as: JP2008193651A; JP4438824B2; EP1953582A1; US20080186605A1; US8186839B2

Abstract

본 발명은 사건이나 사물을 관찰하기 위한 광학 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광 시야각(field of view: FOV)을 가지며, 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물을 검출하기 위한 제1 미러와, 제1 미러보다 더 긴 초점 거리를 가지며, 제1 미러에 의해 검출된 사건이나 사물을 고해상도로 관찰하기 위한 적어도 하나의 제2 미러와, 제1 미러 또는 적어도 하나의 제2 미러에 의해 전달되는 신호로부터 광 신호를 검출하기 위한 광 신호 검출부와, 제1 미러, 적어도 하나의 제2 미러 및 광 신호 검출부를 그 내부에 구비하고, 제1 미러 및 적어도 하나의 제2 미러 각각에 대한 개구(aperture)를 더 구비하며, 제1 미러 또는 적어도 하나의 제2 미러로부터 광 신호 검출부로의 광 경로를 제공하는 보디(body)를 포함하는 광학 모듈에 관한 것이다.

본 발명의 광학 모듈에 따르면, 광 시야각을 가지며 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물을 검출하기 위한 제1 미러와 제1 미러보다 더 긴 초점 거리를 가지며 제1 미러에 의해 검출된 사건이나 사물을 고해상도로 관찰하기 위한 적어도 하나의 제2 미러를 포함함으로써 사건이나 사물을 효과적으로 관찰할 수 있다.

광학 모듈, 제1 미러, 광 시야각, 제2 미러, 고해상도, 초점 거리, 아날로그 미러, 디지털 미러, 마이크로 전기 기계 장치(MEMS), 광 신호 검출부, 멀티 애노드 광전자 증배관(MAPMT), 시야각(FOV), 보디, 개구, 해상도

Description

사건이나 사물을 관찰하기 위한 광학 모듈{AN OPTICAL MODULE FOR OBSERVING AN EVENT OR AN OBJECT}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 모듈의 구성을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 모듈의 동작 원리를 나타내는 도면으로서, 도 2a는 광 시야각을 갖는 제1 미러를 이용하여 사건이나 사물, 특히 고속으로 이동하는 사건이나 사물(예컨대, TLE)을 검출하는 단계를 나타내는 도면이고, 도 2b는 도 2a에서 검출된 사건이나 사물을 고해상도를 갖는 제2 미러를 이용하여 관찰하는 단계를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 모듈의 구체적인 사양을 나타내는 도면.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 제1 미러

120 : 제2 미러

130 : 광 신호 검출부

132 : 자외선 영역 검출부

133 : 아날로그 보드

134 : 디지털 보드

135 : PMT 전원공급부

137 : 근적외선 영역 검출부

138 : 근적외선 영역 전자 기기

140 : 보디

142, 144 : 개구

150 : 데이터 저장부

160 : 인터페이스부

170 : 제어부

180 : 전원공급부

240 : 시야각(FOV)

250 : (고속으로 이동하는) 사건이나 사물

본 발명은 사건이나 사물을 관찰하기 위한 광학 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광 시야각을 가지며 넓은 관찰 영여에서 사건이나 사물을 검출하기 위한 제1 미러와 제1 미러보다 더 긴 초점 거리를 가지며 제1 미러에 의해 검출된 사건이나 사물을 고해상도로 관찰하기 위한 적어도 하나의 제2 미러를 포함함으로써 사건이나 사물, 특히 고속으로 이동하는 사건이나 사물을 효과적으로 관찰하기 위한 광학 모듈에 관한 것이다.

최근, 순간 광 이벤트(transient luminous event; TLE)의 관찰을 통하여, 대기에서의 전역 전기 현상(global electrical phenomena)을 이해하고, 이들 현상을 기후, 태양 및 지구 활동과 관련시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 순간 광 이벤트(TLE)와 같은 현상들이 지구 및 우주와 관련된 많은 정보를 포함하고 있기 때문이다.

그러나 지구 표면으로부터 순간 광 이벤트(TLE)와 같은 사건이나 사물을 전역 관찰(global observation)하는 것은 효과적이지 못하다. 이는, 이러한 현상이 발생되는 높이보다 더 높은 곳에 위치하여 이러한 현상을 관찰할 수 있는 지구상의 지역들이 제한되어 있으며, 또한 관찰이 가능한 지역들이라고 하여 그 지역들에서 동시에 관찰할 수 있는 것도 아니기 때문이다.

이에 비해, 지상 또는 우주에 기초한 검출기의 무선 주파수를 관찰하고 그 이미지를 현상하는 것에 의해, 지구 극궤도(Earth polar orbit) 근처로부터 우주를 관찰하는 것은, 실질적으로 지구의 모든 지형 영역에서, 실질적으로 인공위성의 모든 동작 시간 동안에 대기 전기 활동에 대한 정보를 제공할 수 있다는 점에서 장점이 있다. 이와 같은 장점을 갖는, 인공위성으로부터의 지구상의 고속 이동 사건/사물의 관찰에는, 그에 대응하는 광학계가 필요하다. 물론, 고속으로 이동하는 사건이나 사물을 관찰하는 광학계의 용도를 인공위성으로부터 지구상의 사건/사물에 대한 관찰로 한정할 필요는 없다.

한편, 마이크로 전기 기계 장치(micro-electro-mechanical system; MEMS)라고 하여, 센서 밸브, 기어, 반사경 및 반도체 칩 작동기 등의 작은 기계 장치와 컴 퓨터를 조합시킨 기술이 요즘 새롭게 각광받고 있다. MEMS는‘스마트 메터(smart matter)'라고도 하며, 반사경이나 센서와 같은 기계 장치 제작 시에 넣는 작은 실리콘 칩의 마이크로 회로를 가진 장치로서, 자동차 에어백에서 감지된 속도와 보호자의 체중에 맞게 에어백을 팽창시키는 장치, 화물 수송의 연속 추적과 취급 과정을 알 수 있는 전 세계적 위치 시스템 센서, 비행기 날개의 표면 공기저항에 따라 공기 흐름의 변화를 감지하여 상호작용하는 센서, 20 나노초의 속도로 광 신호를 낼 수 있는 광 스위칭 장치, 센서 조작 냉온 장치, 대기 압력에 반응하는 물질의 유연성을 변화시키는 빌딩 내 센서 등 여러 용도로 쓰이고 있다. MEMS 기술의 특징 및 장점들을 고려할 때, MEMS 기술을 사건이나 사물을 관찰하기 위한 광학 모듈에 적용해 볼 필요성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 필요성 인식에서 비롯된 것으로서, 광 시야각을 가지며 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물을 검출하기 위한 제1 미러와 제1 미러보다 더 긴 초점 거리를 가지며 제1 미러에 의해 검출된 사건이나 사물을 고해상도로 관찰하기 위한 적어도 하나의 제2 미러를 포함함으로써, 사건이나 사물, 특히 고속으로 이동하는 사건이나 사물을 효과적으로 관찰하기 위한 광학 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 사건이나 사물을 관찰하기 위한 광학 모듈은,

(1) 광 시야각(field of view: FOV)을 가지며, 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물을 검출하기 위한 제1 미러;

(2) 상기 제1 미러보다 더 긴 초점 거리를 가지며, 상기 제1 미러에 의해 검출된 상기 사건이나 사물을 고해상도로 관찰하기 위한 적어도 하나의 제2 미러;

(3) 상기 제1 미러 또는 상기 적어도 하나의 제2 미러에 의해 전달되는 신호로부터 광 신호를 검출하기 위한 광 신호 검출부; 및

(4) 상기 제1 미러, 상기 적어도 하나의 제2 미러 및 상기 광 신호 검출부를 그 내부에 구비하고, 상기 제1 미러 및 상기 적어도 하나의 제2 미러 각각에 대한 개구(aperture)를 더 구비하며, 상기 제1 미러 또는 상기 적어도 하나의 제2 미러로부터 상기 광 신호 검출부로의 광 경로를 제공하는 보디(body)를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 광학 모듈은,

상기 제1 미러에 의해 검출된 상기 사건이나 사물이 관찰 대상인지 여부를 결정하고, 상기 사건이나 사물이 관찰 대상인 것으로 결정되면 상기 사건이나 사물의 위치를 파악하며, 이에 대응하여 상기 제1 미러 및 상기 적어도 하나의 제2 미러를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 광학 모듈은,

상기 제1 미러가 상기 사건이나 사물을 검출한 후 스위치-오프 되는 디지털 미러인 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 광학 모듈은,

상기 적어도 하나의 제2 미러가 회전(tilting) 각도를 고속으로 변화시킬 수 있는 아날로그 미러인 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 광학 모듈은,

상기 제1 미러 및 상기 적어도 하나의 제2 미러가 이미지의 광 경로를 임의의 경로로 바꿀 수 있는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 광학 모듈은,

상기 적어도 하나의 제2 미러가 해상도를 원하는 값으로 조절할 수 있는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 광학 모듈은,

상기 제1 미러 및 상기 적어도 하나의 제2 미러가 마이크로 전기 기계 장치에 의한 미러인 것을 그 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 모듈(100)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 모듈(100)은, 광 시야각을 이용하여 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물을 검출하기 위한 제1 미러(110)와, 제1 미러(110)보다 더 긴 초점 거리를 가지며 제1 미러(110)에 의해 검출된 사건이나 사물을 고해상도로 관찰하기 위한 제2 미러(120)와, 제1 미러(110) 또는 제2 미러(120)에 의해 전달되는 신호로부터 광 신호를 검출하기 위한 광 신호 검출부(130)와, 제1 미러(110), 제2 미러(120) 및 광 신호 검출부(130)를 그 내부에 구비하는 보디(140)를 포함한다. 보디(140)는 제1 미러(110) 및 제2 미러(120) 각각에 대한 개구(142, 144)를 더 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 광학 모듈(100)은, 검출된 광 신호를 저장하기 위한 데이터 저장부(150)와, 기기 간을 연결하기 위한 인터페이스부(160)와, 시스템 전체를 제어하기 위한 제어부(170)와 기기들에게 전원을 공급하기 위한 전원공급부(180)를 더 포함할 수 있다.

제1 미러(110)는 광 시야각(field of view: FOV)을 이용하여 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물, 특히 고속으로 이동하는 사건이나 사물(예컨대, 순간 광 이벤트(TLE))을 검출하는 기능을 수행한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 미러(110)는 보디(140) 내에서 광 신호 검출부(130)로부터 가까운 쪽에 위치하고 초점 거리가 짧으며, 해당 개구(142)를 가진다. 특히, 제1 미러(110)는 사건이나 사물을 검출한 후 검출된 사건이나 사물을 제2 미러(120)가 고해상도로 관찰할 수 있도록, 디지털 방식으로 온/오프 될 수 있는 MEMS 마이크로미러 어레이인 것이 바람직하다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 미러(110)는 사건이나 사물에 대한 이미지의 광 경로를 임의의 경로로 바꾸어 광 신호 검출부(130)로 전달할 수 있도록 배치되어 있다.

제2 미러(120)는 제1 미러(110)에 의해 검출된 사건이나 사물(예컨대, TLE)을 고해상도를 이용하여 세밀하게 관찰하는 기능을 수행한다. 제2 미러(120)는, 제1 미러(110)와 비교하여, 보디(140) 내에서 광 신호 검출부(130)로부터 먼 쪽에 위치하고 초점 거리가 길며, 해당 개구(144)를 가진다. 특히, 제2 미러(120)는 제1 미러(110)에 의해 검출된 사건이나 사물이 고속으로 이동하는 경우에도 효과적으로 추적하면서 고해상도로 관찰할 수 있도록, 회전 각도를 아날로그 방식으로 고속 으로 변화시킬 수 있는 MEMS 마이크로미러 어레이인 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 미러(110)와 마찬가지로, 제2 미러(120) 또한 사건이나 사물에 대한 이미지의 광 경로를 임의의 경로로 바꾸어 광 신호 검출부(130)로 전달할 수 있도록 배치되어 있다. 한편, 도 1에서는 제2 미러로서 하나의 미러만 포함하고 있으나, 실시예에 따라서는 복수 개의 미러를 포함할 수도 있다.

광 신호 검출부(130)는 제1 미러(110) 또는 제2 미러(120)로부터 입사되는 신호로부터 광 신호를 검출하는 기능을 수행한다. 이러한 광 신호 검출부(130)는 자외선 영역의 광 신호를 검출하기 위한 자외선 영역 검출부와, 근적외선 영역의 광 신호를 검출하기 위한 근적외선 영역 검출부를 더 포함할 수 있다. 자외선 영역 검출부는 멀티 애노드 광전자 증배관(multi anode photomultiplier tube; MAPMT)으로 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자외선 영역 검출부에는 MAPMT로 구성되어 자외선 영역의 광 신호를 검출하기 위한 자외선 영역 검출부(132)와, 상기 자외선 영역 검출부(132)를 지원하기 위한 아날로그 보드(133) 및 디지털 보드(134)와 MAPMT로 전원을 공급하기 위한 PMT 전원공급부(135)가 포함될 수 있으며, 근적외선 영역 검출부에는 근적외선 영역의 광 신호를 검출하기 위한 근적외선 영역 검출부(137)와 근적외선 영역 검출부(137)를 지원하기 위한 근적외선 영역 전자 기기(138)가 포함될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예의 광학계에서는 자외선 영역의 신호와 근적외선 영역의 신호만 검출하고 있지만, 검출 가능한 광 신호의 영역이 제한될 필요는 없으며, 광 신호 검출부를 지원하는 전자 기기 부분(전자신호 처리부) 또한 도 1에 도시된 구성으로 제한될 필요 는 없다.

보디(140)는 제1 미러(110), 제2 미러(120) 및 광 신호 검출부(130)를 그 내부에 구비하며, 제1 미러(110) 또는 제2 미러(120)로부터 광 신호 검출부(130)로의 광 경로를 제공한다. 또한, 보디(140)는 제1 미러(110) 및 제2 미러(120) 하부에 각각에 대한 개구(142, 144)를 더 포함하는데, 이들 개구(142, 144)는 각각 개구 조준기(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.

데이터 저장부(150)는 검출된 광 신호를 저장하기 위한 부분으로서, 하드 디스크 등이 사용될 수 있다. 인터페이스부(160)는 기기 간을 연결하기 위한 부분으로서, 버스 인터페이스 등이 사용될 수 있다. 제어부(170)는 시스템 전체를 제어하기 위한 CPU 박스로 구성될 수 있다. 특히, 제어부(170)는 광 신호 검출부(130)에 포함된 전자신호 처리부들과 함께, 제1 미러(110)에 의해 검출된 사건이나 사물이 관찰 대상인지 여부를 결정하고, 해당 사건이나 사물이 관찰 대상인 것으로 결정되면 사건이나 사물의 위치를 파악하며, 이에 대응하여 제1 미러 및 제2 미러를 제어할 수 있다. 물론, 이와 같은 기능을 수행하는 별도의 제어부를 광 신호 검출부 내부에 둘 수도 있다. 전원공급부(180)는 시스템 내의 기기들에게 전원을 공급하기 위한 부분이다.

다음으로, 도 2a 및 2b를 참조하여, 본 발명에 따른 광학 모듈의 동작 원리를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 모듈의 동작 원리를 나타내는 도면으로서, 도 2a는 광 시야각을 갖는 제1 미러를 이용하여 넓은 관찰 영역에서 사건 이나 사물, 특히 고속으로 이동하는 사건이나 사물(예컨대, TLE)을 검출하는 단계를 나타내는 도면이고, 도 2b는 도 2a 단계에서 검출된 사건이나 사물을 초점 거리가 더 긴 고해상도의 제2 미러를 이용하여 상세히 관찰하는 단계를 나타내는 도면이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 모듈은 먼저 광 시야각(FOV)을 갖는 제1 미러(110)를 이용하여 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물(250)(예컨대, 순간 광 이벤트(TLE))을 검출하려고 시도한다(사건/사물 검출 단계). 이때, 제1 미러(110)는 해상도가 높지는 않지만 시야각이 넓기 때문에(도 2a에는 제1 미러(110)의 시야각(240)이 도시되어 있음) 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물을 검출하기에 적합하다. 제1 미러(110)에 의해 검출된 사건이나 사물(250)은 광 신호 검출부(130)로 보내져서 관찰 대상인지를 결정하게 된다. 제1 미러(110)에 의해 검출되어 광 신호 검출부(130)로 보내진 사건이나 사물(250)이 관찰 대상인 것으로 결정되면, 도 2b에 도시된 사건/사물 관찰 단계로 진행하게 된다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 사건/사물 관찰 단계에서는, 도 2a의 사건/사물 검출 단계에서 검출된 사건이나 사물(250)을 고해상도를 갖는 제2 미러(120)를 이용하여 상세히 관찰한다. 사건/사물 관찰 단계에서는 고해상도를 갖는 제2 미러(120)가 사용되는데, 특히 고속으로 이동하는 사건이나 사물(250)을 추적하면서 관찰하기 위해서 제2 미러(120)는 회전 각도를 아날로그 방식으로 고속으로 변화시킬 수 있어야 한다. 사건/사물 관찰 단계에서, 제1 미러(110)는 스위치-오프 되어야 하며, 제2 미러(120)는 검출된 사건이나 사물(250)에 초점이 맞추어져야 한다.

다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 모듈의 구체적인 사양을 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 모듈의 구체적인 사양을 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 제1 미러로서는 디지털 미러가 사용되고, 제2 미러로서는 아날로그 미러가 사용될 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 각 단계들을 구현하기 위한 각각의 미러들의 필요조건을 이용하여 각각의 미러들에 대한 구체적인 사양을 결정할 수 있다. 미러들에 대하여 결정될 수 있는 사양들에는, 관찰 영역, 초점 거리, 시야각, 개구 크기 등이 있다. 먼저, 디지털 미러인 제1 미러에 대한 사양은 다음 표 1과 같다.

관찰 영역	초점 거리	시야각(FOV)
240 km	3.02 cm	33.36 도
300 km	2.41 cm	41.16 도

제1 미러에 의해 커버되어야 할 관찰 영역의 크기가 결정되면, 이에 따른 초점 거리와 시야각(FOV)이 결정될 수 있으며, 또한 표 1에 표시되지는 않았지만, 개구 크기 또한 결정될 수 있다.

아날로그 미러인 제2 미러에 대한 사양은 다음 표 2와 같다.

각 픽셀에 대한 해상도	관찰 영역	초점 거리	시야각(FOV)	커버 영역	개구 크기
2 km	16 km	45.25 cm	2.29 도	170.0 km	2.50 cm
3 km	24 km	30.20 cm	3.43 도	178.7 km	2.60 cm
5 km	40 km	18.10 cm	5.72 도	203.5 km	2.97 cm

표 2에서, 각 픽셀에 대한 해상도는 광 신호 검출부로서 사용되는 광전자 증배관(PMT) 상의 각 픽셀에 대한 해상도를 의미하며, 커버 영역은 아날로그 미러인 제2 미러의 회전 각도가

인 것을 가정한 경우 제2 미러에 의해 커버될 수 있는 영역이다. 제2 미러에 대하여, PMT 상의 각 픽셀에 대한 해상도가 결정되면, 이에 따른 관찰 영역, 초점 거리, 시야각, 개구 크기 및 커버 영역이 결정될 수 있다.

Claims

사건이나 사물을 관찰하기 위한 광학 모듈(optical module)로서,

광 시야각(field of view: FOV)을 가지며, 넓은 관찰 영역에서 사건이나 사물을 검출하기 위한 제1 미러;

상기 제1 미러보다 더 긴 초점 거리를 가지며, 상기 제1 미러에 의해 검출된 상기 사건이나 사물을 고해상도로 관찰하기 위한 적어도 하나의 제2 미러;

상기 제1 미러 또는 상기 적어도 하나의 제2 미러에 의해 전달되는 신호로부터 광 신호를 검출하기 위한 광 신호 검출부; 및

상기 제1 미러, 상기 적어도 하나의 제2 미러 및 상기 광 신호 검출부를 그 내부에 구비하고, 상기 제1 미러 및 상기 적어도 하나의 제2 미러 각각에 대한 개구(aperture)를 더 구비하며, 상기 제1 미러 또는 상기 적어도 하나의 제2 미러로부터 상기 광 신호 검출부로의 광 경로를 제공하는 보디(body)

를 포함하는 광학 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제1 미러에 의해 검출된 상기 사건이나 사물이 관찰 대상인지 여부를 결정하고, 상기 사건이나 사물이 관찰 대상인 것으로 결정되면 상기 사건이나 사물의 위치를 파악하며, 이에 대응하여 상기 제1 미러 및 상기 적어도 하나의 제2 미러를 제어하는 제어부를 더 포함하는 광학 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제1 미러는 상기 사건이나 사물을 검출한 후 스위치-오프 되는 디지털 미러인 광학 모듈.
제1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 제2 미러는 회전(tilting) 각도를 고속으로 변화시킬 수 있는 아날로그 미러인 광학 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제1 미러 및 상기 적어도 하나의 제2 미러는 이미지의 광 경로를 임의의 경로로 바꿀 수 있는 광학 모듈.
제1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 제2 미러는 해상도를 원하는 값으로 조절할 수 있는 광학 모듈.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 미러 및 상기 적어도 하나의 제2 미러는 마이크로 전기 기계 장치(Micro Electro Mechanical System; MEMS)에 의한 미러인 광학 모듈.